專利名稱：基于直流母線的光伏發(fā)電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽能光伏發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于直流母線的光伏發(fā)電裝置。
背景技術(shù)：
太陽能是清潔高效的綠色能源，太陽能的推廣應(yīng)用對(duì)世界經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展具有重要的意義，通過光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)將太陽能轉(zhuǎn)換為電能是目前主要的太陽能利用方式之一。根據(jù)光伏電池模塊組合方式，目前光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要包括集中式、組串(多串)式、 模塊集成式三種。集中式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏陣列、逆變器及直流母線構(gòu)成，它是光伏發(fā)電系統(tǒng)最早采用的并網(wǎng)形式，該系統(tǒng)中所有的光伏電池板通過串并聯(lián)構(gòu)成一個(gè)光伏陣列， 該陣列的能量通過一個(gè)逆變器集中轉(zhuǎn)換為交流電。集中式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是輸出功率可達(dá)兆瓦級(jí)，單位發(fā)電成本低，主要用于光伏電站等功率等級(jí)較大的場合。但在集中式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，同一陣列光伏電池板串并聯(lián)模塊相互影響，進(jìn)而影響光伏電池板的輸出功率和效率。若光伏陣列中某一個(gè)組件被陰影遮擋，該組件不僅不能輸出功率，還會(huì)成為系統(tǒng)的負(fù)載，引起該組件的發(fā)熱，使組件的壽命縮短；另外，這種結(jié)構(gòu)需要高壓直流總線連接逆變器與光伏陣列，增加了成本，降低了安全性。組串(多串)式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是指光伏電池板通過串聯(lián)構(gòu)成光伏組串，每個(gè)光伏組串通過一個(gè)逆變器實(shí)現(xiàn)整串的MPPT和并網(wǎng)。組串式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是基于模塊化概念，其優(yōu)點(diǎn)是各光伏組串不受并聯(lián)組串模塊之間的影響，同時(shí)減少了光伏電池板最佳工作點(diǎn)與逆變器不匹配的情況，從而增加了發(fā)電量。但是，組串(多串)式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的同一串模塊之間仍然會(huì)相互影響。模塊集成式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是把DC/AC逆變器和單個(gè)光伏電池板集成在一起作為一個(gè)交流集成式光伏模塊發(fā)電系統(tǒng)，每個(gè)集成模塊均有自己獨(dú)立的MPPT電路和并網(wǎng)控制電路，各個(gè)集成模塊之間互不影響，這樣可以最大程度的發(fā)揮光伏器件的效能。除此之外，這種集成式光伏模塊易于標(biāo)準(zhǔn)化，適合批量化生產(chǎn)，降低系統(tǒng)成本。但這種交流逆變器集成式光伏模塊存在兩方面的缺陷如果逆變器模塊采用DC/AC逆變器，既要實(shí)現(xiàn)單個(gè)模塊的MPPT，又要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)的單位功率因數(shù)，控制復(fù)雜。當(dāng)系統(tǒng)功率較大時(shí)，需要更多的集成模塊并入電網(wǎng)，價(jià)格明顯高于其他結(jié)構(gòu)。如果將集成模塊中的DC/AC逆變器用直流轉(zhuǎn)換直流變換器來代替，構(gòu)成具有獨(dú)立的、即插即用的直流集成式光伏模塊，該系統(tǒng)繼承了交流集成式光伏模塊系統(tǒng)的大部分優(yōu)點(diǎn)，而且具有自己的獨(dú)特優(yōu)勢集成變換器采用直流轉(zhuǎn)換模塊，不需要交流并網(wǎng)的單位功率因數(shù)控制，簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)；直流集成式光伏模塊系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)獨(dú)立發(fā)電和并網(wǎng)發(fā)電兩種運(yùn)行模式，適用范圍廣；當(dāng)需要并網(wǎng)發(fā)電或給交流負(fù)載供電時(shí)，在直流集成光伏模塊和交流電網(wǎng)(或交流負(fù)載)之間增加一個(gè)DC/AC逆變器即可。但在功率較大的場合，同樣需要較多的直流集成光伏模塊，價(jià)格較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種發(fā)電效率高、功率損耗少、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活、日照強(qiáng)度和溫度適應(yīng)性好的基于直流母線的光伏發(fā)電裝置。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種基于直流母線的光伏發(fā)電裝置，包括電流采集單元、電壓采集單元、用于根據(jù)輸入的電流和電壓進(jìn)行最大功率跟蹤并輸出控制信號(hào)的控制單元、用于控制系統(tǒng)工作模式的模式控制單元、驅(qū)動(dòng)電路和分別與直流母線并聯(lián)的多個(gè)光伏電池組串單元，所述光伏電池組串單元包括電池組串和boost電路，所述電池組串通過boost電路與直流母線相連，所述電流采集單元、電壓采集單元的輸入端分別與所述電池組串相連，所述電流采集單元、電壓采集單元的輸出端分別與控制單元的輸入端相連，所述控制單元的輸出端與模式控制單元相連，所述控制單元的輸出端通過驅(qū)動(dòng)電路與boost電路的開關(guān)管相連。作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)所述光伏電池組串單元的數(shù)量為η個(gè)，所述模式控制單元為η-1個(gè)分別與光伏電池組串單元一一對(duì)應(yīng)的η-1個(gè)控制開關(guān)，所述η-1個(gè)控制開關(guān)的一端共同與一個(gè)光伏電池組串單元的正極相連、另一端分別與對(duì)應(yīng)光伏電池組串單元的正極相連。所述電池組串的正極輸出端設(shè)有二極管。所述boost電路的輸入端并聯(lián)有輸入電容。各個(gè)所述boost電路的輸出端共同通過輸出電容并聯(lián)到直流母線。所述控制單元包括最大功率跟蹤運(yùn)算模塊、電流閉環(huán)運(yùn)算模塊、電流調(diào)節(jié)器和比較器，所述最大功率跟蹤運(yùn)算模塊的輸入端分別與電流采集單元、電壓采集單元相連，所述電流閉環(huán)運(yùn)算模塊的輸入端分別與電流采集單元、最大功率跟蹤運(yùn)算模塊相連，所述電流閉環(huán)運(yùn)算模塊的輸出端通過電流調(diào)節(jié)器與比較器的一個(gè)輸入端相連，所述比較器的另一個(gè)輸入端輸入三角載波信號(hào)，所述比較器的輸出端與驅(qū)動(dòng)電路相連。所述控制單元輸出至相鄰boost電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間的相位偏移為2 π /η，其中η 為光伏電池組串單元的數(shù)量。本發(fā)明具有下述優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明通過電流采集單元、電壓采集單元采集的輸出功率狀態(tài)，能夠自動(dòng)根據(jù)光伏電池組串單元輸出功率的情況通過模式控制單元調(diào)節(jié)系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)，使得系統(tǒng)在任何日照強(qiáng)度和溫度情況下，都能有效跟蹤光伏組串的最大功率，提高了系統(tǒng)的效率，不同情況采用不同的電路結(jié)構(gòu)，增加了系統(tǒng)的靈活性，具有發(fā)電效率高、功率損耗少、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活、日照強(qiáng)度和溫度適應(yīng)性好的優(yōu)點(diǎn)。2、本發(fā)明采用直流母線實(shí)現(xiàn)多工作模式的供電輸出，易于實(shí)現(xiàn)獨(dú)立發(fā)電和并網(wǎng)發(fā)電，既可通過直流母線直接給直流負(fù)載供電，也可接逆變器給交流負(fù)載供電或并網(wǎng)。而且直流母線能方便的擴(kuò)展采用風(fēng)力發(fā)電機(jī)、蓄電池和燃料電池等其它能源的發(fā)電模塊，構(gòu)成含有儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的混合發(fā)電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多種能源互補(bǔ)的應(yīng)用，本發(fā)明對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)具有很高的應(yīng)用價(jià)值，在任何狀態(tài)均能獲得最大的轉(zhuǎn)換效率，最大程度的利用太陽能。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例的基本框架結(jié)構(gòu)示意圖。
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圖2為本發(fā)明實(shí)施例控制單元的框架結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明實(shí)施例光伏電池組串單元的電路結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明實(shí)施例模式控制單元以及各個(gè)光伏電池組串單元的電路結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本發(fā)明實(shí)施例處于集中模式的狀態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為本發(fā)明實(shí)施例處于組串模式的狀態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖。圖7為本發(fā)明實(shí)施例處于混合模式的狀態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖。圖例說明1、光伏電池組串單元；11、電池組串；12、boost電路；13、二極管；14、 輸入電容；15、輸出電容；2、電流采集單元；3、電壓采集單元；4、控制單元；41、最大功率跟蹤運(yùn)算模塊；42、電流閉環(huán)運(yùn)算模塊；43、電流調(diào)節(jié)器；44、比較器；5、模式控制單元；6、驅(qū)動(dòng)電路。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，本實(shí)施例的基于直流母線的光伏發(fā)電裝置包括電流采集單元2、電壓采集單元3、用于根據(jù)輸入的電流和電壓進(jìn)行最大功率跟蹤并輸出控制信號(hào)的控制單元4、 用于控制系統(tǒng)工作模式的模式控制單元5、驅(qū)動(dòng)電路6和分別與直流母線并聯(lián)的多個(gè)光伏電池組串單元1，光伏電池組串單元1包括電池組串11和boost電路12，電池組串11由多個(gè)光伏電池板串聯(lián)組成，電池組串11通過boost電路12與直流母線相連，電流采集單元2、 電壓采集單元3的輸入端分別與電池組串11相連，電流采集單元2、電壓采集單元3的輸出端分別與控制單元4的輸入端相連，控制單元4的輸出端與模式控制單元5相連，控制單元 4的輸出端通過驅(qū)動(dòng)電路6與boost電路12的開關(guān)管相連。如圖2所示，控制單元4包括最大功率跟蹤運(yùn)算模塊41、電流閉環(huán)運(yùn)算模塊42、電流調(diào)節(jié)器43和比較器44，最大功率跟蹤運(yùn)算模塊41的輸入端分別與電流采集單元2、電壓采集單元3相連，電流閉環(huán)運(yùn)算模塊42的輸入端分別與電流采集單元2、最大功率跟蹤運(yùn)算模塊41相連，電流閉環(huán)運(yùn)算模塊42的輸出端通過電流調(diào)節(jié)器43與比較器44的一個(gè)輸入端相連，比較器44的另一個(gè)輸入端輸入三角載波信號(hào)，比較器44的輸出端與驅(qū)動(dòng)電路6相連。本實(shí)施例中，控制單元4基于TMS320F2812控制芯片實(shí)現(xiàn)。通過電流采集單元 2采集各光伏組串11的電流Ipvl，Ipv2，……，Ipvn，通過電壓采集單元3采集各光伏組串11 的輸出電壓Vpvl，Vpv2，……，Vpvn，通過各信號(hào)調(diào)理電路發(fā)送到TMS320F2812控制芯片中，由 TMS320F2812控制芯片計(jì)算各光伏組串11的最大功率，并進(jìn)行比較，通過比較各光伏組串 11輸出的最大功率是否平衡來確定模式控制單元5的工作狀態(tài)，同時(shí)確定各組串的最大功率點(diǎn)(MPP)，將各串的最大功率點(diǎn)電流作為該串的給定電流信號(hào)Iref，并與該串的實(shí)際輸出電流進(jìn)行比較，經(jīng)過各自的電流調(diào)節(jié)器43后，作為調(diào)制信號(hào)，與三角載波信號(hào)比較產(chǎn)生 PWM波，并經(jīng)過各自的驅(qū)動(dòng)電路6來控制Boost電路的開關(guān)管動(dòng)作。本實(shí)施例中，控制單元 4對(duì)于每一個(gè)光伏電池組串單元1的控制基本相同，只是將boost電路12的開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)相位偏移，控制單元4輸出至相鄰boost電路12的驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間的相位偏移為2 π /n, 其中η為光伏電池組串單元1的數(shù)量，通過設(shè)置相鄰boost電路12的驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間的相位偏移，能夠減小本實(shí)施例的輸入輸出電流紋波，整個(gè)控制方法簡單，易于實(shí)現(xiàn)。如圖3所示，電池組串11的正極輸出端設(shè)有二極管13，二極管13能夠防止電流倒流入電池組串11內(nèi)的電池板，從而能夠有效保護(hù)電池組串11內(nèi)的電池板，延長電池組串11 的使用壽命。Boost電路輸入輸出電流紋波小，減少了光伏電池板的輸出電流紋波，使得光伏電池板的工作更穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤更容易，而且Boost電路的輸入端并聯(lián)有輸入電容14，輸入電容14對(duì)每個(gè)光伏組串11的輸出起到濾波的作用，輸入電容14均與Boost 電路并聯(lián)，總電容量增大，增強(qiáng)了電容的濾波效果，能夠進(jìn)一步減少了光伏電池板的輸出電流紋波，使得光伏電池板的工作更穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤更容易。本實(shí)施例中，各個(gè)Boost 電路的輸出端共同通過輸出電容15并聯(lián)到直流母線，各Boost電路的輸出端共用輸出電容，簡化了結(jié)構(gòu)，節(jié)約了成本。如圖4所示，光伏電池組串單元1的數(shù)量為η個(gè)，模式控制單元5為η-1個(gè)分別與光伏電池組串單元1 一一對(duì)應(yīng)的η-1個(gè)控制開關(guān)(J2 Jn)，η-1個(gè)控制開關(guān)(J2 Jn)的一端共同與一個(gè)光伏電池組串單元1的正極相連、另一端分別與對(duì)應(yīng)光伏電池組串單元1 的正極相連。本實(shí)施例最大功率跟蹤運(yùn)算模塊41通過電流采集單元2、電壓采集單元3分別采集各個(gè)光伏組串11的輸出功率，并根據(jù)每個(gè)光伏組串11輸出功率的情況，通過模式控制單元5將多個(gè)光伏電池組串單元1組成集中模式、組串模式和混合模式三種不同結(jié)構(gòu)的工作方式。如圖5所示，各個(gè)光伏組串11的輸出功率平衡的情況下，最大功率跟蹤運(yùn)算模塊 41接通模式控制單元5中的所有控制開關(guān)，各個(gè)光伏組串11的正極相互連通，此時(shí)系統(tǒng)工作于集中模式，形成集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，后級(jí)電路為η個(gè)Boost電路并聯(lián)，輸入輸出電流紋波小，此時(shí)輸入電容也是并聯(lián)形式，總電容量增大，增強(qiáng)了電容的濾波效果。這些都有效的減少了光伏電池板的輸出電流紋波，使得光伏電池板的工作更穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤更容易。如圖6所示，各個(gè)光伏組串11的輸出功率不平衡的情況下，最大功率跟蹤運(yùn)算模塊41斷開模式控制單元5中的所有控制開關(guān)，各個(gè)光伏組串11的正極互不連通，此時(shí)系統(tǒng)工作于組串模式，形成組串式光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，每個(gè)光伏組串11獨(dú)立供電且工作在自己的最大功率輸出狀態(tài)，減小了各光伏組串11之間的相互影響，發(fā)揮了每個(gè)光伏組串11的最大效能，避免了采用集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時(shí)各光伏組串11之間功率不平衡所導(dǎo)致的效率低下的問題。如圖7所示，如果只是某一個(gè)或某幾個(gè)光伏組串11出現(xiàn)故障或其輸出功率與其他組串不平衡時(shí)，可將有問題的光伏組串11對(duì)應(yīng)的控制開關(guān)斷開，此時(shí)系統(tǒng)工作于組串和集中混合的模式，形成混合式光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，能夠根據(jù)光伏組串11輸出功率的變化選擇電路結(jié)構(gòu)，甚至直接關(guān)閉故障光伏組串11的工作，縮短了維護(hù)時(shí)間，增加了系統(tǒng)使用的靈活性。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅限于上述實(shí)施方式，凡是屬于本發(fā)明原理的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，在不脫離本發(fā)明的原理的前提下進(jìn)行的若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于直流母線的光伏發(fā)電裝置，其特征在于包括電流采集單元O)、電壓采集單元(3)、用于根據(jù)輸入的電流和電壓進(jìn)行最大功率跟蹤并輸出控制信號(hào)的控制單元0)、 用于控制系統(tǒng)工作模式的模式控制單元(5)、驅(qū)動(dòng)電路(6)和分別與直流母線并聯(lián)的多個(gè)光伏電池組串單元(1)，所述光伏電池組串單元(1)包括電池組串(11)和boost電路(12)， 所述電池組串(11)通過boost電路(1 與直流母線相連，所述電流采集單元O)、電壓采集單元(3)的輸入端分別與所述電池組串(11)相連，所述電流采集單元O)、電壓采集單元(3)的輸出端分別與控制單元的輸入端相連，所述控制單元的輸出端與模式控制單元(5)相連，所述控制單元⑷的輸出端通過驅(qū)動(dòng)電路(6)與boost電路(12)的開關(guān)管相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于直流母線的光伏發(fā)電裝置，其特征在于所述光伏電池組串單元⑴的數(shù)量為η個(gè)，所述模式控制單元(5)為η-1個(gè)分別與光伏電池組串單元⑴ 一一對(duì)應(yīng)的η-1個(gè)控制開關(guān)，所述η-1個(gè)控制開關(guān)的一端共同與一個(gè)光伏電池組串單元(1) 的正極相連、另一端分別與對(duì)應(yīng)光伏電池組串單元(1)的正極相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于直流母線的光伏發(fā)電裝置，其特征在于所述電池組串 (11)的正極輸出端設(shè)有二極管(13)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于直流母線的光伏發(fā)電裝置，其特征在于所述boost電路(12)的輸入端并聯(lián)有輸入電容(14)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于直流母線的光伏發(fā)電裝置，其特征在于各個(gè)所述boost 電路(1 的輸出端共同通過輸出電容(1 并聯(lián)到直流母線。
6.根據(jù)權(quán)利要求1 5中任意一項(xiàng)所述的基于直流母線的光伏發(fā)電裝置，其特征在于 所述控制單元(4)包括最大功率跟蹤運(yùn)算模塊(41)、電流閉環(huán)運(yùn)算模塊(42)、電流調(diào)節(jié)器 (43)和比較器(44)，所述最大功率跟蹤運(yùn)算模塊的輸入端分別與電流采集單元O)、 電壓采集單元C3)相連，所述電流閉環(huán)運(yùn)算模塊0 的輸入端分別與電流采集單元O)、 最大功率跟蹤運(yùn)算模塊Gl)相連，所述電流閉環(huán)運(yùn)算模塊0 的輸出端通過電流調(diào)節(jié)器 (43)與比較器04)的一個(gè)輸入端相連，所述比較器G4)的另一個(gè)輸入端輸入三角載波信號(hào)，所述比較器G4)的輸出端與驅(qū)動(dòng)電路(6)相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于直流母線的光伏發(fā)電裝置，其特征在于所述控制單元 (4)輸出至相鄰boost電路(12)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間的相位偏移為2 π /η，其中η為光伏電池組串單元(1)的數(shù)量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于直流母線的光伏發(fā)電裝置，包括電流采集單元、電壓采集單元、控制單元、模式控制單元、驅(qū)動(dòng)電路和分別與直流母線并聯(lián)的多個(gè)光伏電池組串單元，光伏電池組串單元包括電池組串和boost電路，電池組串通過boost電路與直流母線相連，電流采集單元、電壓采集單元的輸入端分別與電池組串相連，電流采集單元、電壓采集單元的輸出端分別與控制單元的輸入端相連，控制單元的輸出端與模式控制單元相連，控制單元的輸出端通過驅(qū)動(dòng)電路與boost電路的開關(guān)管相連。本發(fā)明具有發(fā)電效率高、功率損耗少、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活、日照強(qiáng)度和溫度適應(yīng)性好的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02N6/00GK102427315SQ20111042608
公開日2012年4月25日 申請(qǐng)日期2011年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月19日
發(fā)明者李玉玲, 陳予吒 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)